Хотя вскоре после этого открытие Уленбеком и Гаудсмитом спиновых свойств электрона и прежде всего установление принципа исключения Паули для квантовых состояний электрона привели к временному ограничению примитивного принципа соответствия, всё же несостоятельность существующего, хоть и ограниченного, применения классических механических представлений проявлялась всё отчётливее, в особенности при учёте более тонких свойств взаимодействия электронов в атоме. Гармоническое единство квантовых и классических черт теории строения атома, как известно, было достигнуто только созданием рациональных, квантовомеханических методов. Этими методами мы обязаны счастливому введению новых интуитивных идей о световом кванте и волнах материи Эйнштейном, де Бройлем и Шредингером, с одной стороны, и поступательному развитию метода соответствия от работ Крамерса до его блестящего осуществления Гейзенбергом, Борном, Иорданом и Дираком, с другой. Высшим достижением этого направления можно считать релятивистскую теорию электронов Дирака, которая не только сумела однозначно объяснить тончайшие черты спектров, но и одновременно содержала предсказание возможности превращения энергии излучения в пары положительных и отрицательных электронов, получившую экспериментальное подтверждение.

Для нашей цели достаточно коротко напомнить, что квантовая механика не только дала возможность довести описание свойств отдельных атомов до некоторого завершения, но и дала совершенно новую, плодотворную точку зрения для понимания различных химических связей в молекулах, а также объяснение других типичных свойств твердых тел, в особенности металлов, перед которыми до тех пор исследователи были беспомощны. Речь же, вообще говоря, идёт не только о совершенствовании теоретических методов атомной физики, но о столь глубоком преобразовании наших основных понятий для описания природы, что потребовался даже решительный пересмотр самого понятия наблюдения. Прежде всего обусловленное квантом действия неизбежное взаимодействие между данными атомными объектами и измерительными приборами, необходимыми для определения явления, означает, что результаты, полученные в разных условиях опыта, несовместимы при обычном способе описания, покоящемся на представлении о самостоятельном поведении объектов, и находятся в новом, дополнительном отношении друг к другу. Принципиально статистический характер квантовой механики, выражающийся в соотношениях неопределённости Гейзенберга, на самом деле не является временным ограничением анализа атомных явлений, но разумным образом соответствует точке зрения дополнительности, более широкой, чем идея причинности, и необходимой для учёта всего множества опытов, обусловленного существованием кванта действия.

Если мы после этих вводных замечаний обратимся к теме данной статьи, к вопросу о значении кванта действия для проблем строения и стабильности атомных ядер, то вначале покажется странным, что постановка вопроса в существенных пунктах в точности противоположна той, с которой мы встретились при рассмотрении атомных проблем, обсуждавшихся выше ¹. В то время как там мы могли исходить из довольно обширного знания составных частей атома и сил, действующих между ними, совершенно ясно, что большая плотность и весьма сильная связь в ядрах требуют таких сил между частицами ядра, которые действуют только на расстояниях порядка ядерных размеров и точная количественная теория которых с самого начала была совершенно неизвестна. Кроме того, вскоре выяснилось, что вследствие существования кванта действия невозможно даже рассматривать все материальные частицы, которые испускаются в естественных или искусственных процессах распада ядра как его самостоятельные составные части.

¹ Подробное описание истории развития теории строения атома, где указывается и на подчёркнутое здесь различие атомных и ядерных проблем, имеется в Фарадеевской лекции автора (Jorn. Chem. Soc., 1932, 134, 381). Изложенная ниже точка зрения на объяснение типичных черт ядерных реакций разработана впервые в статье, опубликованной вначале в «Nature» (1936, 137, 344) и в «Naturwissenschaften» (1936, 24, 241). Дальнейшее развитие этих концепций дано в статье Н. Бора и Ф. Калькара (Kgl. Danske Videnskabernes Selskab., 1937, 14, № 10), где можно найти и подробную библиографию. Упомянутые в конце данной статьи ядерные фотоэффекты обсуждались недавно в кратком сообщении в «Nature» (1938, 141, 326). (Статьи 37, 45, 48, 55. — Ред.)

Уже первые попытки, вызванные фундаментальным открытием Астона — что не только электрические заряды ядер кратны элементарному заряду, но и масса каждого ядра в хорошем приближении является целой кратной массы легчайшего ядра, протона, — рассматривать ядра как системы протонов и электронов натолкнулись на принципиальные противоречия. Помимо трудностей в объяснении на основе этой концепции прочности связи ядер обнаружились противоречия между свойствами симметрии и спиновыми свойствами такой системы и спектроскопически наблюдаемыми свойствами ядер и их зависимости от атомного номера и массового числа. Более точное исследование выявило также, что в рамках квантовой механики совершенно независимо от любого предположения о силах, действующих в ядрах, невозможно приписать таким лёгким частицам, как электроны, независимое существование в пределах ядра. Поэтому испускание положительных или отрицательных электронов в радиоактивных превращениях ядер должно сравниваться с рождением этих частиц как механических единиц подобно излучению светового кванта атомом. Чтобы обеспечить сохранение энергии и импульса в β-радиоактивных процессах, как известно, необходимо предположить, что в таких процессах кроме электрона рождается ещё и лёгкая, до сих пор не наблюдавшаяся нейтральная частица. Хотя развитие этой концепции, в частности Паули, Ферми и Гейзенбергом, ещё не получило удовлетворительного завершения, оно тем не менее открыло новые перспективные способы подхода к основным проблемам атомной теории и приводит к признанию необходимости считать атомные ядра механическими системами, состоящими только из тяжёлых частиц.

Как известно, открытие нейтрона Чэдвиком создало основу для выполнения этой программы. В самом деле, модель ядра, состоящего из протонов и нейтронов, не только даёт непосредственное объяснение значений заряда и массы ядра, но и ни в коем случае не противоречит наблюдаемым общим свойствам симметрии при условии, что нейтрон имеет тот же спин, что и протон, и также подчиняется принципу исключения. Кроме того, подобная модель указывает на простое объяснение своеобразной, давно подчёркнутой Харкинсом зависимости стабильности ядер от чётности и нечётности значений атомного номера и массового числа. Интересно вспомнить, что в этой связи предположение о тяжёлой нейтральной частице как составной части ядра обсуждалось за несколько лет до открытия нейтрона, причём ещё до того, как на основе квантовой теории были раскрыты противоречия между свойствами реальных ядер и свойствами любых ядерных моделей, содержащих электроны.

Решающий успех в разработке протон-нейтронной модели ядра был достигнут Гейзенбергом, показавшим, как квантовомеханический формализм путём простого обобщения позволяет ввести новые силы между протоном и нейтроном, которые обладают свойствами насыщения подобно химическим силам и существование которых кажется необходимым для объяснения характерного изменения дефекта масс ядер с массовым числом. В последующие годы неоднократно пытались проверить следствия подобных предположений о ядерных силах, но за исключением богатых перспектив рассмотрения легчайших ядер этот путь очень труден уже потому, что сильная связанность движений отдельной частицы ядра исключает применение всех тех приближённых методов, которые так облегчили исследование связей электронов в атоме. Даже полностью отвлекаясь от вопроса о законе ядерных сил, нельзя также забывать следующего. То обстоятельство, что ядра могут быть разложены адиабатически на нейтроны и протоны, не даёт уверенности, что более точное описание их свойств — подобно описанию обычных атомных систем — может быть проведено с помощью только таких представлений, которые использовались до сих пор для характеристики изолированных частиц.